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摘 要：随着集成电路技术、网络技术、压缩解压缩技术的发展，网络摄像机得到了迅猛的发展和广泛的应用，已经成为视频监控的标志和核心设备。网络摄像机不仅可基于局域网实现传统的区域监控，而且能基于互联网实现远程监控。文章论述了网络摄像机的工作原理、组成结构，剖析了网络摄像机优于传统摄像机的优势。
关键词：网络摄像机（IPC）；远程监控压缩编码算法
中图分类号：TN948.41 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2015）18-0068-01
1 网络摄像机的结构
网络摄像机，简称IPC（IPCamera），是传统摄像机与网络技术相结合的新一代产品。IPC由镜头、图像传感器、声音传感器、控制器、模/数转换器、编码芯片、网络及控制接口等部分组成。
1.1 光学镜头
镜头被喻为摄像机的眼睛，是摄像机的重要组成部分，通常由一组透镜组成，它的作用是将被拍摄景物准确地成像在图像传感器上。摄像机画面的清晰程度很大程度依赖于镜头的参数和质量。
1.2 图像传感器和声音传感器
光电转换是IPC的核心任务之一，图像传感器就是摄像机进行光电转换的芯片，被喻为摄像机的心脏，目前市场上有CCD及CMOS两种图像传感器。前者解析度高、噪音低、灵敏度高，在模拟和网络摄像机中应用都很普遍。CMOS主要优点是功耗低、工艺简单，是IPC未来的发展趋势。
1.3 编码芯片
图像和声音传感器产生的模拟信号被A/D转换芯片转换成数字信号以后，需要按一定的格式进行压缩编码，所以压缩编码是IPC的另一个核心任务。主要的视频编码算法有MPEG4、H.264、AVS等，H.264因为具有良好的图形质量、编码效率及网络适应能力，是目前IPC编码算法的主流。声音编码标准有MP3、G.723等多种格式。
1.4 控制器
控制器是网络摄像机的大脑，它肩负着网络摄像机的管理和控制工作。如果是硬件压缩编码，控制器是一个独立部件；如果是软件编码压缩，控制器是运行编码压缩软件的DSP，即二者合而为一。
1.5 主要接口
RJ-45网络接口是网络摄像机的通用配置，用于IPC进行有线网络通信。为了方便本地监控，有的IPC还提供一个模拟的视频接口。另外，IPC还提供了一些其他的外部接口，如控制云台的485接口，用于报警信号输入输出的I/O口等。有的产品还提供对无线网络的支持。
1.6 网络服务器
网络摄像机还增加了一个嵌入式芯片，内置嵌入式实时操作系统和Web服务器，将压缩后的视频数据封装成TCP/IP包，采用RTP/RTCP、UDP、HTTP、TCP/IP等相关网络协议进行数据通信。授权用户使用标准的浏览器即可观看该摄像机的实时图像，远程控制摄像机的镜头和云台。为了方便用户管理网络，有的IPC还支持ICMP、SNMP、IGMP、ARP等网络管理协议，有的甚至支持FTP、SMTP、DDNS协议，提供更加强大的网络功能。
2 网络摄像机的工作过程
IPC从视频采集、编码压缩到网络传输等各个环节全部实现了数字化，是真正的纯数字设备。一般网络摄像机的工作过程如下：
①外界光信号经过镜头输入，声音信号经过麦克风输入后，由图像传感器与声音传感器转化为电信号。
②A/D转换器将模拟电信号转换为数字电信号，由内置的信号处理器进行预处理，再经过编码器按一定的编码标准进行编码压缩。
③内置嵌入式操作系统将数据封装成IP包；在控制器的控制下，由网络服务器通过TCP/IP网络协议在局域网或互联网上传输。
④控制器还可以接收报警信号及向外发送报警信号，并对云台和其它外部设备进行操作控制。
⑤IPC提供多级用户管理机制和IP过滤机制，使得不同级别的用户的访问权限不尽相同，即使获得授权用户也只能在自己相关权限之内进行操作和活动。
3 网络摄像机相对于模拟摄像机的优势
3.1 高清摄像机画质上优于模拟摄像机
模拟摄像机经过反复的A/D转换、电磁传输干扰、隔行扫描等步骤的影响，视频画质严重下降，图像存储仅可以达到D1或者4CIF左右分辨率，约合40万像素。网络摄像机则由于采用逐行扫描、数字信号传输的技术，在抗电磁干扰性、图像清晰度方面存在很大优势，高清摄像机的分辨率经常达到百万级像素甚至千万级。
3.2 大大拓宽了监控范围
受限于视频线传输模拟信号的限制，传统的视频监控系统规模只能局限于视频线缆可以直接连接的范围，常用的5号视频线传输距离在500 m以内，即使采用9号视频线也不能突破1 000 m。
网络摄像机不但可通过以太网在局域网环境内部署视频监控系统，而且可以充分应用广阔的互联网资源，跨越地理环境的限制将音视频信号传输到任何距离，大大拓宽了视频监控的范围。在后端可以采用手机、PDA终端、计算机等任何网络设备，随时随地监看及管理监控视频，及时掌握现场情况，而不必局限在监控中心。
3.3 简化了线缆敷设工艺
模拟摄像机中的控制线、视频线、音频线、电源线都各自独立，所以每个摄像机需要很多根不同类型的连线，布线工程繁琐复杂且工作量大、布线成本较高。网络摄像机只采用一根网线，就可以把音频、视频、控制、报警信号全部进行传输，有的网络摄像机采用了以太网供电技术（PoE）通过网线直接供电，甚至连电源线也不需要敷设。
模拟摄像机中的所有连接线缆必须敷设到监控中心，但是网络摄像机的网线只要连接到最近的交换机或者路由器等网络设备即可，其余部分完全可充分利用已经存在的网络设施和综合布线系统，不必单独布线，大大降低了布线的工程量和成本。在不适宜布线的环境中，还可以使用无线网络完成远端监控及录像。
3.4 多码流技术和丰富的存储方式
模拟摄像机多采用MPEG-4编码进行存储，网络摄像机多采用H.264编码技术，在性能方面H.264比MPEG4提高33%左右，编码效率的提高大大减少了网络传输和网络存储的成本。网络摄像机提供双码流选项，可以同时满足省容量存储和快速度传输的不同需求。
关于存储技术，一方面在网络中心使用功能强大的磁盘阵列构建大型的存储系统进行集中存储，另一方面网络摄像机提供了USB接口、SD卡本地存储、FTP服务器远程存储等多种灵活的存储方式进行冗余和补偿措施，提高了视频数据的安全性。
3.5 方便系统集成
模拟摄像机只能传输单向的视频信号，硬盘录像机只能进行单机管理，其性能十分有限。网络摄像机便于构建大型视频监控系统，系统拥有集成管理平台、流媒体服务器、3W服务器、访问控制服务器、存储管理服务器、万兆网络交换机、网络防火墙等大型高尖技术的设备群，系统集成方便，功能十分强大。
3.6 智能分析前端化
早期的视频分析技术多基于后端，对后端设备资源占用比较高，不利于大规模、分布式系统的部署。目前，许多IPC厂商直接把入侵探测、人数统计、车辆逆行、丢包检测、人脸识别等行为视频分析功能植入前端IPC内，利用IPC的芯片进行视频分析算法，实现分布式的智能分析，大大减轻了后端设备的负担，方便大规模、分布式系统的构建。
4 结 语
网络摄像机站在两位“巨人”的肩膀上，其发展的确有着得天独厚的条件：①在过去30的多年里，模拟摄像机技术发展到了炉火纯青的地步；②作为企业和社会的基础设施，局域网和互联网的覆盖面已经十分广泛和完善，所以网络摄像机可以很方便地布置在任何地方，视频图像可以随时随地被接收和管理。随着网络带宽的增加和网络成本的下降，基于网络摄像机构建的大规模网络视频监控系统已成为新时代发展的必然趋势。
参考文献：
[1] 刘红彬，周强.IP网络摄像机及其发展前景[J].煤矿现代化，2005，（4）.
关键词：网络摄像机（IPC）；远程监控压缩编码算法
中图分类号：TN948.41 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2015）18-0068-01
1 网络摄像机的结构
网络摄像机，简称IPC（IPCamera），是传统摄像机与网络技术相结合的新一代产品。IPC由镜头、图像传感器、声音传感器、控制器、模/数转换器、编码芯片、网络及控制接口等部分组成。
1.1 光学镜头
镜头被喻为摄像机的眼睛，是摄像机的重要组成部分，通常由一组透镜组成，它的作用是将被拍摄景物准确地成像在图像传感器上。摄像机画面的清晰程度很大程度依赖于镜头的参数和质量。
1.2 图像传感器和声音传感器
光电转换是IPC的核心任务之一，图像传感器就是摄像机进行光电转换的芯片，被喻为摄像机的心脏，目前市场上有CCD及CMOS两种图像传感器。前者解析度高、噪音低、灵敏度高，在模拟和网络摄像机中应用都很普遍。CMOS主要优点是功耗低、工艺简单，是IPC未来的发展趋势。
1.3 编码芯片
图像和声音传感器产生的模拟信号被A/D转换芯片转换成数字信号以后，需要按一定的格式进行压缩编码，所以压缩编码是IPC的另一个核心任务。主要的视频编码算法有MPEG4、H.264、AVS等，H.264因为具有良好的图形质量、编码效率及网络适应能力，是目前IPC编码算法的主流。声音编码标准有MP3、G.723等多种格式。
1.4 控制器
控制器是网络摄像机的大脑，它肩负着网络摄像机的管理和控制工作。如果是硬件压缩编码，控制器是一个独立部件；如果是软件编码压缩，控制器是运行编码压缩软件的DSP，即二者合而为一。
1.5 主要接口
RJ-45网络接口是网络摄像机的通用配置，用于IPC进行有线网络通信。为了方便本地监控，有的IPC还提供一个模拟的视频接口。另外，IPC还提供了一些其他的外部接口，如控制云台的485接口，用于报警信号输入输出的I/O口等。有的产品还提供对无线网络的支持。
1.6 网络服务器
网络摄像机还增加了一个嵌入式芯片，内置嵌入式实时操作系统和Web服务器，将压缩后的视频数据封装成TCP/IP包，采用RTP/RTCP、UDP、HTTP、TCP/IP等相关网络协议进行数据通信。授权用户使用标准的浏览器即可观看该摄像机的实时图像，远程控制摄像机的镜头和云台。为了方便用户管理网络，有的IPC还支持ICMP、SNMP、IGMP、ARP等网络管理协议，有的甚至支持FTP、SMTP、DDNS协议，提供更加强大的网络功能。
2 网络摄像机的工作过程
IPC从视频采集、编码压缩到网络传输等各个环节全部实现了数字化，是真正的纯数字设备。一般网络摄像机的工作过程如下：
①外界光信号经过镜头输入，声音信号经过麦克风输入后，由图像传感器与声音传感器转化为电信号。
②A/D转换器将模拟电信号转换为数字电信号，由内置的信号处理器进行预处理，再经过编码器按一定的编码标准进行编码压缩。
③内置嵌入式操作系统将数据封装成IP包；在控制器的控制下，由网络服务器通过TCP/IP网络协议在局域网或互联网上传输。
④控制器还可以接收报警信号及向外发送报警信号，并对云台和其它外部设备进行操作控制。
⑤IPC提供多级用户管理机制和IP过滤机制，使得不同级别的用户的访问权限不尽相同，即使获得授权用户也只能在自己相关权限之内进行操作和活动。
3 网络摄像机相对于模拟摄像机的优势
3.1 高清摄像机画质上优于模拟摄像机
模拟摄像机经过反复的A/D转换、电磁传输干扰、隔行扫描等步骤的影响，视频画质严重下降，图像存储仅可以达到D1或者4CIF左右分辨率，约合40万像素。网络摄像机则由于采用逐行扫描、数字信号传输的技术，在抗电磁干扰性、图像清晰度方面存在很大优势，高清摄像机的分辨率经常达到百万级像素甚至千万级。
3.2 大大拓宽了监控范围
受限于视频线传输模拟信号的限制，传统的视频监控系统规模只能局限于视频线缆可以直接连接的范围，常用的5号视频线传输距离在500 m以内，即使采用9号视频线也不能突破1 000 m。
网络摄像机不但可通过以太网在局域网环境内部署视频监控系统，而且可以充分应用广阔的互联网资源，跨越地理环境的限制将音视频信号传输到任何距离，大大拓宽了视频监控的范围。在后端可以采用手机、PDA终端、计算机等任何网络设备，随时随地监看及管理监控视频，及时掌握现场情况，而不必局限在监控中心。
3.3 简化了线缆敷设工艺
模拟摄像机中的控制线、视频线、音频线、电源线都各自独立，所以每个摄像机需要很多根不同类型的连线，布线工程繁琐复杂且工作量大、布线成本较高。网络摄像机只采用一根网线，就可以把音频、视频、控制、报警信号全部进行传输，有的网络摄像机采用了以太网供电技术（PoE）通过网线直接供电，甚至连电源线也不需要敷设。
模拟摄像机中的所有连接线缆必须敷设到监控中心，但是网络摄像机的网线只要连接到最近的交换机或者路由器等网络设备即可，其余部分完全可充分利用已经存在的网络设施和综合布线系统，不必单独布线，大大降低了布线的工程量和成本。在不适宜布线的环境中，还可以使用无线网络完成远端监控及录像。
3.4 多码流技术和丰富的存储方式
模拟摄像机多采用MPEG-4编码进行存储，网络摄像机多采用H.264编码技术，在性能方面H.264比MPEG4提高33%左右，编码效率的提高大大减少了网络传输和网络存储的成本。网络摄像机提供双码流选项，可以同时满足省容量存储和快速度传输的不同需求。
关于存储技术，一方面在网络中心使用功能强大的磁盘阵列构建大型的存储系统进行集中存储，另一方面网络摄像机提供了USB接口、SD卡本地存储、FTP服务器远程存储等多种灵活的存储方式进行冗余和补偿措施，提高了视频数据的安全性。
3.5 方便系统集成
模拟摄像机只能传输单向的视频信号，硬盘录像机只能进行单机管理，其性能十分有限。网络摄像机便于构建大型视频监控系统，系统拥有集成管理平台、流媒体服务器、3W服务器、访问控制服务器、存储管理服务器、万兆网络交换机、网络防火墙等大型高尖技术的设备群，系统集成方便，功能十分强大。
3.6 智能分析前端化
早期的视频分析技术多基于后端，对后端设备资源占用比较高，不利于大规模、分布式系统的部署。目前，许多IPC厂商直接把入侵探测、人数统计、车辆逆行、丢包检测、人脸识别等行为视频分析功能植入前端IPC内，利用IPC的芯片进行视频分析算法，实现分布式的智能分析，大大减轻了后端设备的负担，方便大规模、分布式系统的构建。
4 结 语
网络摄像机站在两位“巨人”的肩膀上，其发展的确有着得天独厚的条件：①在过去30的多年里，模拟摄像机技术发展到了炉火纯青的地步；②作为企业和社会的基础设施，局域网和互联网的覆盖面已经十分广泛和完善，所以网络摄像机可以很方便地布置在任何地方，视频图像可以随时随地被接收和管理。随着网络带宽的增加和网络成本的下降，基于网络摄像机构建的大规模网络视频监控系统已成为新时代发展的必然趋势。
参考文献：
[1] 刘红彬，周强.IP网络摄像机及其发展前景[J].煤矿现代化，2005，（4）.